Développement de cellules photovoltaïques à hétérojonctions silicium et contacts en face arrièreN° dordre 2009ISAL0084 Ecole Doctorale Matériaux de Lyon, Année 2009
THÈSE
Pour obtenir le grade de
Docteur en Science des Matériaux
Par
en face arrière
Soutenue le 30/11/2009 devant la Commission dexamen constituée de :
MASSINES Françoise
ALCUBILLA Ramon
KLEIDER Jean-Paul
Rapporteur
Rapporteur
Examinateur
Examinateur
Directeur
Encadrant
Cette thèse a été préparée à lInstitut National de lÉnergie Solaire (INES), au sein du
Laboratoire des Composants Solaires (LCS / DTS / Liten / CEA Grenoble).
Adresse du laboratoire :
73370 Le Bourget du Lac
FRANCE
SIGLE
CHIMIE
Université Claude Bernard Lyon 1 Bât CPE
43 bd du 11 novembre 1918 69622 VILLEURBANNE Cedex Tél : 04.72.43 13 95 Fax :
lancelin@hikari.cpe.fr
E.E.A.
M. Alain NICOLAS
Ecole Centrale de Lyon Bâtiment H9
36 avenue Guy de Collongue 69134 ECULLY Tél : 04.72.18 60 97 Fax : 04 78 43 37 17
eea@ec-lyon.fr
E2M2
M. Jean-Pierre FLANDROIS
CNRS UMR 5558
43 bd du 11 novembre 1918 69622 VILLEURBANNE Cedex
Tél : 04.26 23 59 50 Fax 04 26 23 59 49 06 07 53 89 13
e2m2@biomserv.univ-lyon1.fr
EDIIS
M. Alain MILLE
Université Claude Bernard Lyon 1 LIRIS – EDIIS Bâtiment Nautibus
43 bd du 11 novembre 1918 69622 VILLEURBANNE Cedex
Tél : 04.72. 44 82 94 Fax 04 72 44 80 53 ediis@liris.cnrs.fr - alain.mille@liris.cnrs.fr
EDISS
M. Didier REVEL Hôpital Cardiologique de Lyon – Bâtiment Central
28 Avenue Doyen Lépine 69500 BRON
Tél : 04.72.68 49 09 Fax : 04 72 35 49 16 Didier.revel@creatis.uni-lyon1.fr
Matériaux
Bâtiment Blaise Pascal 7 avenue Jean Capelle 69621 VILLEURBANNE Cédex
Tél : 04.72.43 83 18 Fax 04 72 43 85 28
Jean-marc.Pelletier@insa-lyon.fr
46 allée dItalie 69364 LYON Cédex 07
Tél : 04.72.72 84 81 Fax : 04 72 72 89 69 Pascal.koiran@ens-lyon.fr
Secrétariat : Fatine Latif - latif@math.univ-lyon1.fr
Bâtiment Antoine de Saint Exupéry
25 bis avenue Jean Capelle 69621 VILLEURBANNE Cedex
Tél : 04.72.18.71.70 Fax : 04 72 18 87 12
mega@lva.insa-lyon.fr
ScSo
Sociologie, Anthropologie)
Tél : 04.78.69.72.76 Fax : 04.37.28.04.48 Jean-paul.bravard@univ-lyon2.fr
Remerciements
Mustapha Lemiti me guide depuis 6 ans déjà dans le monde du photovoltaïque. Il a su
maccompagner, dabord durant mes années de formation, puis ensuite pour cette thèse quil a
dirigée. Son appui a été important pour moi, particulièrement dans les périodes de doutes. Je
le remercie de mavoir donné le « virus » du photovoltaïque, dont je ne suis pas prêt de
guérir…
Cette thèse existe avant tout grâce à Pierre-Jean Ribeyron. Assez rapidement, il a su
me confier beaucoup de responsabilités dans lorganisation et la présentation de mes travaux.
Cest grâce à cette confiance que jai pu, pendant ces trois années, mépanouir autant au
niveau professionnel. Je tiens également à le remercier pour avoir quelquefois partagé avec
moi sa vision du monde, empreinte dune certaine sagesse.
Jean-Paul Garandet, puis Dick Heslinga ont successivement dirigé le LCS, où se
déroulait la thèse. Merci à eux pour avoir encouragé mes travaux, et pour avoir suivi leur
avancement avec intérêt.
Merci à lADEME pour avoir financé en partie cette thèse, ainsi quà André Claverie
et Yvonnick DURAND qui ont accompagné son évolution.
Françoise Massines et Ramon Alcubilla me font lhonneur dêtre membre du jury. Je
les remercie également pour leur travail de rapporteur.
Jai eu la chance de rencontrer Jean-paul Kleider et Pere Roca i Cabarrocas dans le
cadre de projets de recherche et de conférences. Chaque discussion avec eux se révèle
fructueuse. Je tiens à les remercier pour tous leurs conseils et pour avoir accepté dêtre
membre du jury.
Ma progression dans le monde du photovoltaïque est basée sur des relations
privilégiées avec mes différents « tuteurs » successifs. Dabord Jean-François Lelièvre et
Erwann Fourmond de lINL, puis (surtout) Yannick Veschetti au LCS. Ce fut un réel plaisir
de travailler et apprendre autant avec eux. Je dois ajouter également Sébastien Dubois, qui,
bien que ne mayant pas encadré, a su répondre à un grand nombre de mes questions. Merci
pour leur grande patience, leur disponibilité, et leur pédagogie.
Pendant ces trois années, jai travaillé au sein dune équipe qui sest agrandie petit à
petit. Au sein de la HET-Team, je tiens à remercier tout particulièrement Aurélie
Vandenheynde, qui a consacré tout son temps et son énergie à faire avancer nos travaux
pendant les derniers mois de la thèse. Merci à Florent Souche, Anne-Sophie Ozanne et
Christine Denis, qui mont également beaucoup aidés. Je noublie pas Delfina Muðoz, ma
correctrice numéro un et néanmoins prof de yoga! Merci pour sa gentillesse et sa générosité.
Remerciements
Merci également à Anthony Favier, qui a tout tenté pour me faire reprendre le skateboard,
avec un succés limité jusquà maintenant…
Dautres collègues du labo ont fait avancer, de près ou de loin, ces travaux de thèse. Je
remercie Marc « Gyver » Pirot, Nicolas Enjalbert, Rémi Monna, Isabelle Chevalier, Armand
Bettinelli et Bruno Rémiat pour leurs nombreux coups de mains et conseils. Merci également
à Claude Jaussaud pour ses questions théoriques et Vincent Sanzone pour sa passion du débat.
Je tiens à remercier Djicknoum Diouf, Philippe Thony, Alexandre Ferron et Mathieu
Baudrit pour leur implication, à différents niveaux, dans nos études de simulation.
Au début de la thèse, une partie importante de la fabrication des cellules avait lieu au
LPICM. Merci à David Éon, puis Martin Labrune, pour leur collaboration et pour nous avoir
permis de commencer rapidement nos travaux.
Les quelques manips effectuées au CIME mont permis davancer rapidement de
manière autonome. Je tiens à remercier Delphine Constantin, pour my avoir accueilli.
Jai eu souvent loccasion de collaborer avec lINL. Je remercie Anne Kaminski et
Caroline Boulord pour leur implication dans certains aspects de nos travaux. Merci également
à Barbara Bazer-Bachi, avec qui cest un plaisir de se poser des questions, puis dy répondre!
Je tiens particulièrement à remercier tous les « Précaires » avec qui jai pu partager
mon bureau: Johann Jourdan, Hakim Marko, Mickaël Lozach, Pierre Saint-Cast, Nicolas
Sassiat, Raphaël Cabal, Thomas Schütz-Kuschly, et Jordi Veirman. Jai apprécié discuter et
avancer avec eux, dans une ambiance de solidarité quon aimerait retrouver partout.
Même si on passe une (trop) grande partie de sa vie au boulot, il reste encore beaucoup
de temps pour faire autre chose. À Grenoble, jai eu la chance de cotoyer des personnes
extraordinaires: Lucile, Julien, Daphné, Jennifer, Christelle, Mamé, Cédric, Émilie et Jojo. Je
veux les remercier pour tous les bons moments quon a passés ensemble. Merci tout
particulièrement à Jen pour sa douceur, sa patience et ses encouragements. Jai eu la chance
de retrouver des colocataires de luxe au Bourget : merci à Florian, Romain et Thomas de se
battre pour faire la vaisselle (et ce nest pas du second degré).
Je noublie pas mes amis de Rouen, Lyon et Arêches, que je retrouve à chaque fois
avec joie. La place manquant ici pour tous les nommer, je leur adresse un grand merci
collectif pour les nombreux week end festifs et autres randonnées passés en leur compagnie.
Et pour finir, merci à mes parents, à mon frère et Manouche, ainsi quà ma soeur pour leur
soutien inébranlable depuis toutes ces années. Déjà un quart de siècle quils me supportent…
dans tous les sens du terme!
- 1 -
1. Bases sur le fonctionnement des cellules photovoltaïques en silicium cristallin - 11 - 1.1 Nature du rayonnement solaire - 11 -
1.1.1 Spectre solaire - 11 - 1.1.2 Dualité de la lumière - 12 -
1.2 Effet photoélectrique et production dénergie - 13 - 1.2.1 L’effet photoélectrique - 13 - 1.2.2 La diode p/n: base du dispositif photovoltaïque - 14 - 1.2.3 Production d’énergie par un dispositif photovoltaïque - 16 -
1.3 Limites intrinsèques à la conversion photovoltaïque - 18 - 1.3.1 Absorption du rayonnement - 18 - 1.3.2 Recombinaisons intrinsèques (radiatives et Auger) - 19 - 1.3.3 Facteur de forme - 20 - 1.3.4 Rendement maximal théorique d’une cellule c-Si - 20 -
1.4 Limites technologiques à la conversion photovoltaïque - 20 - 1.4.1 Pertes optiques et résistives - 21 - 1.4.2 Recombinaisons volumiques Shockley-Read-Hall (SRH) - 21 - 1.4.3 Recombinaisons surfaciques et au contact - 22 -
2. La cellule photovoltaïque standard en silicium cristallin - 25 - 2.1 Architecture de la cellule photovoltaïque standard - 25 -
2.1.1 Texturation et Couche Anti-Reflet - 26 - 2.1.2 Champ de Surface Arrière - 27 -
2.2 La cellule standard optimisée: structure PERL - 28 -
2.3 Cellule standard à émetteur inversé - 30 -
3. Les cellules photovoltaïques industrielles en silicium cristallin à haut rendement - 31
- 3.1 Structures à contacts en face arrière - 31 -
3.2 Cellules à hétérojonctions a-Si:H / c-Si - 34 - 3.2.1 Choix du type de substrat - 37 - 3.2.2 Nettoyage de surface - 39 - 3.2.3 Couches a-Si:H - 40 - 3.2.4 Oxyde Transparent Conducteur (OTC) et contacts - 42 - 3.2.5 Traitements thermiques - 43 - 3.2.6 Critères pour l’optimisation des cellules à hétérojonction silicium - 43 -
3.3 Cellules à hétérojonctions a-Si:H / c-Si et contacts en face arrière - 44 -
Conclusions - 47 -
MATERIEL ET MÉTHODES EXPERIMENTALES - 49 -
1. Fabrication des cellules solaires à hétérojonctions silicium - 50 - 1.1 Dépôts de couches minces a-Si:H, a-SiNx:H et a-SiCx:H - 50 -
1.2 Dépôts dITO et contacts métalliques - 52 -
- 2 -
1.4 Découpe des cellules - 54 -
2. Méthodes de caractérisation - 55 - 2.1 Caractérisation des couches minces - 55 -
2.1.1 Propriétés de conduction - 55 - 2.1.2 Épaisseur: ellipsométrie - 56 - 2.1.3 Propriétés de passivation de surface: durée de vie effective - 58 - 2.1.4 Vitesse de recombinaison de surface, courant de saturation de l’émetteur - 60 - 2.1.5 Résistivité spécifique de contact (méthode TLM) - 62 - 2.1.6 Transmission, réflexion et absorption - 64 -
2.2 Caractérisation des cellules solaires - 65 - 2.2.1 Paramètres électriques de la cellule solaire - 65 - 2.2.2 Mesure SunsVoc - 67 - 2.2.3 Réponse spectrale et cartographie en photocourant - 67 -
3. Modélisation des dispositifs en deux dimensions - 70 -
Conclusions - 72 -
CHAPITRE I : REALISATION ET OPTIMISATION DE L’EMETTEUR ET DES
CONTACTS OHMIQUES - 73 -
1. Fabrication de contacts ohmiques pour cellules à hétérojonctions silicium - 74 - 1.1 Films a-Si:H de type n - 76 -
1.1.1 Influence du flux de gaz dopant - 76 - 1.1.2 Influence de l’épaisseur - 77 -
1.2 Matériaux de contact électrique - 79 - 1.2.1 Mesure de la résistivité spécifique de contact - 79 - 1.2.2 Validation sur cellules à hétérojonction silicium standard - 80 -
2. Fabrication d’émetteurs pour cellules à hétérojonctions silicium - 83 - 2.1 Films a-Si:H de type p - 84 -
2.1.1 Influence du flux de gaz dopant - 84 - 2.1.2 Influence de l’épaisseur - 87 -
2.2 Matériaux de contact électrique - 88 - 2.2.1 Influence du travail de sortie - 88 - 2.2.2 Influence de l’épaisseur d’a-Si:H - 90 -
Conclusions du Chapitre I - 92 -
CHAPITRE II : ÉTUDE DE LA FACE AVANT - 93 -
1. Simple couche anti-reflet - 94 - 1.1 Films de a-SiNx:H - 94 -
1.2 Films de a-SiCx:H - 96 -
1.3 Films dITO - 97 -
1.4 Comparaison des différents matériaux - 98 -
2. Couche anti-reflet utilisant une couche de a-Si:H mince de passivation - 100 - 2.1 Couche de a-Si:H mince de passivation - 100 -
2.1.1 Étude du a-Si:H intrinsèque - 100 - 2.1.2 Comparaison entre le a-Si:H intrinsèque et le a-Si:H dopé (n) - 102 - 2.1.3 Étude de l’empilement a-Si:H (i) / a-Si:H (n) - 104 - 2.1.4 Choix de la couche mince de passivation - 105 -
TABLE DES MATIÈRES
- 3 -
2.2 Caractérisation des couches anti-reflet utilisant une couche de a-Si:H mince de
passivation - 107 - 2.2.1 Influence du dépôt de la couche de confinement optique - 107 - 2.2.2 Pertes optiques - 108 -
Conclusions du Chapitre II - 110 -
CHAPITRE III : DETERMINATION D’UN PROCEDE DE LOCALISATION DES
EMPILEMENTS EN FACE ARRIÈRE - 111 -
1. Procédés de localisation des couches de a-Si:H - 112 - 1.1 Description de la couche sacrificielle - 112 -
1.2 Procédé « LASER » - 113 -
1.3 Procédé « sérigraphie » - 114 -
1.4 Procédé « masques métalliques » - 114 -
2. Étude de la tolérance sur les alignements et comparaison des procédés de
localisation des couches de a-Si:H - 116 - 2.1 Influence de la tolérance entre les alignements - 116 -
2.2 Procédé « LASER » - 117 -
2.3 Procédé « sérigraphie » - 118 -
2.5 Comparaison des procédés de localisation des couches a-Si:H - 122 -
3. Procédés de localisation des métallisations - 124 - 3.1 Procédé « sérigraphie » - 126 -
3.2 Procédé « masques métalliques » - 127 -
Conclusions du Chapitre III - 129 -
CHAPITRE IV : FABRICATION ET OPTIMISATION DE DISPOSITIFS À
HÉTÉROJONCTIONS SILICIUM ET CONTACTS EN FACE ARRIÈRE - 131 -
1. Fabrication de dispositifs à hétérojonctions silicium et contacts en face arrière - 132 - 1.1 Géométrie des dispositifs - 132 -
1.2 Procédé de fabrication - 135 -
1.3 Caractérisation des précurseurs de cellule - 136 - 1.3.1 Mesures de durée de vie effective en fonction du niveau d’injection - 136 - 1.3.2 Cartographies en durée de vie effective - 138 -
1.4 Métallisation des précurseurs de cellule - 139 -
1.5 Caractérisation des premiers dispositifs - 141 - 1.5.1 Paramètres électriques sous éclairement AM1.5 - 142 - 1.5.2 Caractérisation des pertes résistives - 143 - 1.5.3 Caractérisation des pertes en courant - 144 -
2. Optimisation des dispositifs à hétérojonctions silicium et contacts en face arrière -
147 - 2.1 Modélisation des dispositifs - 147 -
2.1.1 Influence du dopage et de la largeur du contact sur le champ de surface arrière - 147 - 2.1.2 Influence du dopage et de la largeur du contact sur l’émetteur - 148 -
2.2 Fabrication de cellules à hétérojonctions silicium et contacts en face arrière
optimisées - 154 -
CHAPITRE V : DISCUSSION SUR LES PARAMÈTRES LIMITANTS - 157 -
1. Émetteurs et contacts ohmiques par hétérojonction silicium - 158 - 1.1 Couches a-Si:H - 158 -
1.2 Matériaux de contact - 159 -
2. Structure de la face avant - 161 - 2.1 Face avant réalisée à basse température (≤ 200°C) - 161 -
2.2 Face avant réalisée à haute température (≥ 200°C) - 162 -
3. Géométrie du dispositif et procédé de fabrication - 163 - 3.1 Contraintes expérimentales et optimisation de la géométrie - 163 -
3.2 Problématiques 3D - 165 - 3.2.1 Zones de busbar - 165 - 3.2.2 Recombinaisons sur les bords des cellules - 166 -
Conclusions du Chapitre V - 167 -
CONCLUSION GÉNÉRALE - 169 -
RESUME GENERAL 190
- 5 -
INTRODUCTION
Selon lAgence Internationale de lÉnergie, entre 1973 et 2007, la consommation
énergétique mondiale a quasiment doublé, en passant de 5.4x10 4 à 9.6x10
4 TWh par an. Plus
de 15% de cette énergie est aujourdhui consommée sous forme délectricité, soit près de
1.6x10 4 TWh par an [IEA09]. Lélectricité est un vecteur dénergie invisible, inodore et
silencieux, mais qui se stocke difficilement. Son utilisation à grande échelle sest donc
développée sur un modèle centralisé, où les unités de productions sont reliées aux
consommateurs par un réseau. Au niveau mondial, plus de 80% de lélectricité est produite à
partir de combustibles fossiles (67%) et fissiles (15%) non renouvelables. Au rythme de
consommation actuelle, les réserves prouvées de ces combustibles seront épuisées à léchelle
dune centaine dannée [Jancovici08].
Au niveau environnemental, la production délectricité mondiale est responsable de
lémission de plus de 1x10 10
tonnes de CO2 par an [Carma08] soit un tiers des émissions de
CO2 anthropogéniques [IEA09]. Or le CO2 est un gaz à effet de serre (GES) qui contribue
fortement au réchauffement climatique mondial, constaté depuis lère industrielle.
Lamenuisement des ressources non renouvelables, ainsi que laugmentation de la
température du globe, présentent de nombreux risques de tensions au niveau mondial. Afin de
faire face à ce problème, il est nécessaire dagir sur plusieurs points résumés par la démarche
Négawatt [Négawatt06]:
3. Développer les sources dénergies renouvelables.
Les énergies renouvelables (ENR) sont basées non plus sur lexploitation dun stock
(pétrole, gaz, charbon, uranium), mais sur celle dun flux (soleil, vent, eau). Parmi les
différentes ENR, lélectricité photovoltaïque (PV) ne représente aujourdhui quun infime
pourcentage de la production mondiale délectricité. Son potentiel est pourtant quasiment
infini au regard de lénergie envoyée annuellement par le soleil sur la Terre (7.5x10 8 TWh
[Lelièvre07]. A titre dexemple, il suffirait théoriquement déquiper tous les toits des USA de
modules PV pour fournir ¾ des besoins en électricité de ce pays [EF05].
Le principal frein au développement de lélectricité photovoltaïque (PV) vient de son
coût encore trop élevé par rapport aux sources conventionnelles. Un kWh produit par un
système photovoltaïque coûte entre 20 et 40 centimes deuro, soit cinq à dix fois plus que son
équivalent non renouvelable [MEEDAT08]. En site isolé (non connecté à un réseau),
lélectricité PV est en revanche compétitive et donc largement utilisée. De plus, le kWh
produit par un système PV génère 10 à 20 fois moins de GES que son équivalent produit à
laide de charbon [Meier02] et ne génère pas de déchets radioactifs. Cest pourquoi le PV fait
lobjet dun soutien croissant de la part des pouvoirs publics de pays comme lAllemagne, le
INTRODUCTION
- 6 -
Japon et plus récemment lEspagne, les USA, et la France. Ces pays souhaitent voir une partie
grandissante de leur électricité produite par les ENR. Comme le montre la Figure 1, la
capacité de production délectricité par des modules PV a ainsi connu un très fort
développement depuis les années 2000.
Figure 1. Puissance photovoltaïque globale installée par région du monde [EPIA09]
Le mécanisme le plus utilisé pour soutenir la filière PV repose sur lobligation de
rachat de lélectricité PV produite, à un prix fixé légalement. Les opérateurs énergétiques
doivent donc acheter lélectricité PV à un tarif plus élevé que le tarif de vente. En général les
installations individuelles bénéficient dun tarif de rachat supérieur à celui des centrales
solaires de forte capacité, aussi appelées « fermes » solaires.
Un système photovoltaïque comprend en général plusieurs modules PV constitués de
cellules interconnectées, ainsi quun onduleur chargé de transformer le courant continu en
courant alternatif. Globalement, le module doit remplir plusieurs fonctions : connecter les
cellules entre elles de manière à fournir la tension voulue, les protéger contre lenvironnement
(érosion, humidité, grêle, sel, UV, etc.), et les protéger déventuels dysfonctionnements
(échauffement, ombrage) par des diodes bypass. Lefficacité du module PV est dabord
caractérisée par son rendement, c'est-à-dire lénergie quil produit par rapport à lénergie
lumineuse incidente. Plus ce rendement est élevé, plus la surface occupée par les modules
pour produire une quantité fixée délectricité peut être réduite. Pour un module intégré au bâti
(toiture, façade), ce critère peut devenir important dans la mesure où la surface disponible est
limitée. Les modules sont également évalués par le rapport entre leur coût et leur puissance
INTRODUCTION
- 7 -
maximale, exprimé en Euro par Watt-crête (Wc). Il existe de nombreuses technologies de
modules PV qui diffèrent par les matériaux utilisés dans la fabrication des cellules et par les
technologies dinterconnexion de ces cellules entre elles. Le Tableau 1 résume les
performances moyennes des principales filières au niveau des modules.
Tableau 1. Rendement moyen des modules PV commercialisés pour les différentes
technologies dominantes [EPIA09]
Surface par
15 11 10 12 7 8
La technologie dominant actuellement est celle des cellules à base de silicium
cristallin (c-Si). Elle existe depuis environ 50 ans et constitue actuellement plus de 80% des
ventes au niveau mondial [EPIA08]. Les cellules c-Si permettent dobtenir les meilleures
performances au niveau du module avec 13 à 15% de rendement en moyenne. De plus, leur
fiabilité est démontrée par la longévité dinstallations fonctionnant depuis plusieurs dizaines
dannées. Cette technologie bien établie au niveau industriel est toutefois limitée par son coût
élevé. La répartition des différentes sources de coûts de lélectricité produite au niveau dun
module PV à base de c-Si est donnée dans la Figure 2.
Figure 2. Répartition des coûts dans la fabrication d’un module PV utilisant des cellules
en c-Si [delCanizo09]
INTRODUCTION
- 8 -
Parmi les différentes possibilités permettant de diminuer le coût de lélectricité PV, au
niveau du module, deux solutions technologiques sont particulièrement intéressantes :
1/ La diminution du coût du substrat c-Si.
Cette solution passe dabord par lutilisation de substrats plus minces, de lordre dune
centaine de microns, au lieu des 200 µm actuels. En effet la diminution de 25% de lépaisseur
de la cellule permet une réduction de 10% du coût du module [delCanizo09]. Dautre part, il
existe différents types de c-Si de qualité et donc de prix variables. Le silicium multi-cristallin
(mc-Si) de qualité solaire est moins cher que le mono-cristallin, et son utilisation est
synonyme de réduction du coût du matériau. En revanche, le rendement maximal atteint par
des cellules mc-Si est inférieur à celui obtenu sur monocristal (20.1% contre 25.0%
[Green09]) à cause de la qualité inférieure du substrat. Des solutions alternatives telles que le
transfert de couches [Kraiem06], ou la croissance de rubans [Schmidt02] permettraient
également de diminuer le coût du c-Si en limitant les pertes dues au sciage des lingots.
2/ L’augmentation du rendement des cellules
Le fait dutiliser des cellules plus efficaces dans les modules PV permet de diminuer le
coût du système complet. En effet, pour une même puissance produite, les frais de mise en
module et dinstallation sont alors réduits. Ainsi, une augmentation de 10% relatifs du
rendement des cellules entraîne 10% déconomies sur le module [delCanizo09] et diminue
également le coût du système complet. De nombreuses recherches ont été menées depuis les
années 1980 pour améliorer le rendement des cellules PV c-Si vers leur limite théorique de
29% [Kerr02b]. Trois structures de cellule ont démontré leur potentiel pour atteindre les très
hauts rendements sur du c-Si monocristallin de bonne qualité :
La structure PERL (Passivated Emitter Rear Locally Diffused) a été
développée par lUNSW (University of New South Wales, Australie) sur le modèle de la
cellule standard à base de c-Si type p. Un rendement expérimental de 24.7% sur une cellule de
4 cm 2 a pu être démontré en 1999 [Zhao99] (25.0% avec la nouvelle norme sur léclairement
standard [Green09]). Cependant, la complexité du procédé de fabrication, avec plusieurs
étapes dalignement par photolithographie empêche son industrialisation. Lentreprise
Suntech travaille en collaboration avec lUNSW afin dindustrialiser des cellules sinspirant
de la structure PERL. Ces cellules, nommées PLUTO, atteignent des rendements proches de
19% [Shi09] sur leur ligne de production.
La structure à contacts interdigités en face arrière IBC (Interdigitated Back
Contacts) a dabord été développée à léchelle du laboratoire et sur surface réduite par
lUniversité de Stanford [Swanson85]. Cette structure utilise la technologie de contacts
localisés (Point-Contact) et nécessite plusieurs étapes dalignements par photolithographie.
SunPower Corp. a pu diminuer le nombre dalignements en simplifiant la structure puis
industrialiser sa production sur c-Si de type n sans étape de photolithographie [Mulligan04].
Des cellules de 148 cm 2 avec un rendement moyen de 22.4% (max 23.4%) sont fabriquées sur
INTRODUCTION
- 9 -
leur ligne de production industrielle [DeCeuster07]. Ces excellents résultats ont été obtenus
grâce aux très faibles pertes optiques et résistives de cette structure. Ils sont toutefois encore
limités par des recombinaisons aux contacts et dans les zones dopées thermiquement
[Swanson05].
Un troisième type de cellules à haut rendement utilise l’hétérojonction
silicium (Si-HJ) entre le silicium amorphe hydrogéné a-Si:H et le silicium cristallin c-Si.
Cette structure, découverte par Fuhs et al en 1974 [Fuhs74], a été étudiée par Sanyo depuis les
années 1990. Son point fort réside dans lobtention de très faibles recombinaisons de surface
tout en utilisant un procédé entièrement à basse température (200°C). Au niveau R&D, le
meilleur rendement atteint est de 23.0% sur des cellules Sanyo de 100 cm 2
[Sanyo09]. Les
cellules produites industriellement atteignent quant à elles quasiment 20% de rendement
[Taira07]. La structure des cellules HET implique cependant des pertes optiques limitant le
courant collecté. Ces pertes sont dues à lombrage de la grille de contact ainsi quà
labsorption dune partie du rayonnement dans les couches déposées.
La combinaison des deux dernières technologies a été évoquée pour la première fois
dans une demande de brevet dEBARA publiée en 2003 [Mishima03]. Cette structure à
hétérojonctions et contacts interdigités en face arrière (Si-HJ IBC) permettrait théoriquement
de réduire les pertes optiques et résistives dans la cellule, tout en limitant les recombinaisons
de surface. En 2005, R. M. Swanson de SunPower Corp a montré que le rendement potentiel
dune telle structure est supérieur à 25% [Swanson05]. De plus, lexpérience de Sanyo et
Sunpower montre que ces deux technologies sont dores et déjà validées séparément du point
de vue industriel.
Le fort potentiel des cellules Si-HJ IBC justifie notre étude visant à développer cette
structure sur c-Si de type n, principalement du point de vue expérimental mais également au
niveau de sa modélisation. Notre démarche consiste à séparer les différentes étapes de
fabrication en autant de sujets détude.
Ainsi, ce travail commence par létude dempilements (a-Si:H / matériau de contact)
permettant la réalisation dun champ arrière répulsif (Back Surface Field ou BSF) et dun
émetteur (Chapitre I). Pour cela, une évaluation des pertes résistives et des propriétés de
passivation des différents empilements a été menée, dans le but de les utiliser sur la structure
Si-HJ IBC.
La suite de létude est consacrée à la détermination dune Couche Anti-Reflet (CAR)
adaptée à la face avant des cellules Si-HJ IBC (Chapitre II). Des objectifs en termes de
vitesse de recombinaison de surface et de transmission effective du rayonnement ont été
définis à cet effet. Un procédé de localisation des différents empilements est ensuite
sélectionné (Chapitre III), en évaluant sa rapidité dexécution et sa « propreté ». Ces
recherches ont mené au dépôt dune demande de brevet sur une technique de localisation par
masques métalliques [Bettinelli08].
INTRODUCTION
- 10 -
Le chapitre suivant aboutit à la fabrication et loptimisation de démonstrateurs de
cellules Si-HJ IBC sur une surface de 25 cm 2
(Chapitre IV). Pour cela, nous avons utilisé les
empilements étudiés dans le chapitre I, la CAR déterminée dans le chapitre II et le procédé de
localisation sélectionné dans le Chapitre III. Ceci constitue une première mondiale et a fait
lobjet dune publication à la 23 e Conférence Européenne sur lÉnergie Solaire
Photovoltaïque [Desrues08]. Le dernier chapitre permet une discussion sur les principales
limites théoriques et expérimentales des structures Si-HJ IBC (Chapitre V).
Les réalisations expérimentales ont été menées principalement au CEA (Commissariat
à lÉnergie Atomique) de Grenoble puis au Bourget du Lac sur le site de lINES (Institut
National de lÉnergie Solaire). Les modélisations ont été développées en collaboration avec le
LGEP (Laboratoire de Génie Électrique de Paris). La totalité de ce travail a été réalisé dans le
cadre du projet ANR QCPassi (Quantum Cutting and Passivation for Back-Contacted Hetero-
junction Solar Cells) et cofinancé par lADEME (Agence de lEnvironnent et la Maîtrise de
lénergie) et le CEA.
- 11 -
silicium cristallin
1.1.1 Spectre solaire
Le soleil est constitué principalement de gaz, dont la fusion continue produit une
quantité dénergie phénoménale. La fusion des atomes dhydrogène en atomes dhélium
permet en effet datteindre des températures de lordre de 20 millions de degrés Kelvin
[Honsberg09]. Cette énergie se traduit par lémission dun rayonnement composé de
longueurs dondes majoritairement comprises entre 0.2 μm et 3 μm. Hors atmosphère le
rayonnement émis par le soleil (AM0) est constitué de:
9% d’UV (0.1< λ <0,4 μm)
43% de visible (0.4< λ <0,75 μm)
48% d’infrarouges (0.75< λ <5 μm)
On représente le rayonnement par un spectre donnant lirradiance en fonction de la
longueur donde (Figure 3). Pour le soleil, ce spectre est comparable à celui dun corps noir à
une température denviron 5800 K.
Figure 3. Spectre représentant l’irradiance solaire sur Terre (AM1.5G)
ÉTAT DE L’ART 1. Bases sur le fonctionnement des cellules PV en silicium cristallin
- 12 -
À la surface de la Terre, le spectre solaire nest plus le même que dans lespace, car il
est pondéré par labsorption des molécules présentes dans latmosphère (O3, CO2, H2O, …).
Les conditions climatiques ainsi que la présence de particules influencent également la valeur
réelle du spectre. Pour pouvoir comparer les performances des cellules solaires et qualifier les
différents spectres solaires utilisés, la notion dAir-masse (AM), ou « masse atmosphérique »
a été créée. Sa valeur dépend de la pression, de laltitude et de langle dincidence des rayons
lumineux. Lintégration de lirradiance sur la totalité du spectre permet dobtenir la puissance
P (en W.m -2
) fournie par le rayonnement. Pour simplifier on utilise les notations suivantes :
AM0 : Hors atmosphère (applications spatiales). P ≈ 1.36 kW.m -2
AM1 : Le soleil est au zénith du lieu dobservation (à léquateur).
AM1.5G : Spectre standard, le soleil est à 45°. P ≈ 1 kW.m -2
1.1.2 Dualité de la lumière
La lumière peut être considérée sous forme dondes électromagnétiques de longueur
donde λ ou sous forme de photons, corpuscules possédant une énergie E liée à λ par la
relation (1).
)
La notion de dualité onde/corpuscule est importante pour comprendre les phénomènes
dinteraction entre un rayonnement et un matériau. Labsorption dun rayonnement dans un
matériau sexplique en effet simplement par léchange dénergie entre les atomes du matériau
et les corpuscules de la lumière. Le coefficient dabsorption (en m -1
) dépend de la longueur
donde des photons incidents, ainsi que du coefficient dextinction k, selon la relation (2).
k4 (2)
En général les faibles longueurs dondes (très énergétiques) sont donc plus facilement
absorbées. Cependant, le coefficient dextinction dun matériau varie également avec la
longueur donde, ce qui peut faire varier cette tendance. Le phénomène dabsorption est décrit
par la loi de Beer-Lambert (3).
)xexp(II 0 (3)
ÉTAT DE L’ART 1. Bases sur le fonctionnement des cellules PV en silicium cristallin
- 13 -
I : Intensité de la lumière sortante (W)
x : Longueur du trajet optique (m)
Les photons les plus énergétiques sont donc absorbés en quasi-totalité à proximité
immédiate de la surface éclairée. En revanche, une partie des photons moins énergétiques peut
traverser une partie du matériau, voire sa totalité, sans être absorbée.
1.2 Effet photoélectrique et production d’énergie
1.2.1 L’effet photoélectrique
Découvert par Becquerel en 1839, puis expliqué par Einstein au début du XX e siècle,
leffet photoélectrique (ou photovoltaïque) provoque, sur certains matériaux, lémission dune
petite quantité délectricité lorsquils sont exposés à la lumière. Pour cela, il faut dabord que
lénergie des photons incidents soit transmise à des porteurs de charge (électrons ou trous)
dans le matériau. Labsorption des photons dans un matériau conducteur ou semi-conducteur
permet en effet la libération dune certaine quantité de porteurs libres. Ce mécanisme de
photogénération peut être représenté à laide des états énergétiques des bandes de valence et
de conduction, séparées par un gap dénergies interdites (EG).
Dans les matériaux conducteurs, les charges libérées se recombinent quasi-
instantanément et peuvent difficilement être collectées. Lusage de certains matériaux semi-
conducteurs permet la réduction de ces recombinaisons et lapplication de leffet
photovoltaïque à la production délectricité.
Un matériau semi-conducteur se caractérise par son énergie de gap EG entre la bande
de valence (BV) et la bande de conduction (BC). A léquilibre, les électrons possèdent une
énergie correspondant à des états situés dans la BV et sont dits « liés ». Un photon incident,
dont lénergie h est supérieure à lénergie de gap EG du matériau, peut permettre le passage
dun électron de la bande de valence à la bande de conduction. On considère alors que
lélectron ayant rejoint la bande de conduction est excité, et quil laisse un trou (équivalent à
une charge positive) dans la bande de valence. La paire électron/trou (e/h) créée forme un
exciton. Le transfert dénergie entre le photon incident et lélectron de la BV respecte les lois
de conservation de lénergie et de la quantité de mouvement. Le vecteur donde k des photons
a cependant une valeur beaucoup plus faible que celui des électrons. Les transitions
énergétiques de ceux-ci se font alors sans changement de vecteur donde mais verticalement
dans lespace des k (Figure 4).
ÉTAT DE L’ART 1. Bases sur le fonctionnement des cellules PV en silicium cristallin
- 14 -
Figure 4. Transitions électroniques pour un gap direct et un gap indirect
Lorsque dans lespace des k, le minimum de la bande de conduction correspond au
maximum de la bande de valence, on parle de gap direct. Dans le cas du silicium cristallin (c-
Si) les photons très énergétiques (E ≥ 1.8eV) voient un gap direct. Pour des énergies plus
faibles, le gap est indirect car les transitions radiatives entre les extrema des bandes ne
peuvent se faire quavec la participation dun phonon. Les phonons sont des vibrations du
réseau apportant ou absorbant la quantité de mouvement nécessaire. Les transitions faisant
appel aux phonons (gap indirect) sont donc moins probables que dans le cas dun gap direct.
Leffet photoélectrique est donc plus ou moins important en fonction du matériau semi-
conducteur utilisé. De plus, pour extraire véritablement lénergie transmise du rayonnement à
la matière, un dispositif de collecte des charges photogénérées est nécessaire.
1.2.2 La diode p/n: base du dispositif photovoltaïque
La séparation des paires e-/h+ et la collecte des charges libres sont facilitées par la
présence dun champ électrique au sein du matériau. Les chercheurs des laboratoires Bell ont
utilisé pour la première fois en 1954 le champ électrique dune jonction (ou diode) n + /p dans
une cellule solaire [Chapin54]. Cette structure simple est constituée dune base en c-Si de
type p dopée n + localement pour former lémetteur. La différence de concentration délectrons
entre la zone dopée n + et celle de type p entraîne une tension de diffusion VD à la jonction des
deux zones de conductivité opposée. La tension de diffusion provoque un champ électrique
intrinsèque à la jonction, dans une zone appelée ZCE (Zone de Charge dEspace). À
léquilibre, cette zone désertée de porteurs libres est présente essentiellement dans la région la
moins dopée. Sa largeur varie en moyenne entre 0.1 et 1 micron en fonction du profil et du
niveau de dopage. On distingue alors, dans la diode p/n, deux zones : les zones neutres
(émetteur et base) où il ne règne aucun champ électrique, et la ZCE. À la jonction, le champ
électrique intrinsèque permet laccélération des porteurs minoritaires vers la zone où ils sont
majoritaires. Ainsi, les électrons de la base de type p sont accélérés vers la zone démetteur
dopée n + .
ÉTAT DE L’ART 1. Bases sur le fonctionnement des cellules PV en silicium cristallin
- 15 -
Lorsque la base et lémetteur de la diode sont réalisés dans un seul matériau (même
EG), on parle dune homojonction p/n. La valeur de la tension de diffusion VD peut sexprimer
en fonction des densités de dopants dans lémetteur et la base du matériau semi-conducteur
par la relation (4). Si les densités de dopages étaient égales aux densités détats du matériau,
la tension de diffusion de la jonction serait égale à EG/q. Ce cas est limité par les
recombinaisons de porteurs et la diminution de la valeur de EG pour les matériaux très dopés
(Band Gap Narrowing ou BGN) [Sze81].
) NN
)
)
)
)
-6 )
Léquation (5) permet de modéliser la densité de courant fournie par une diode idéale
soumise à une rampe de tension. Cette caractéristique courant-tension (I-V, ou J-V pour la
densité de courant) est en effet particulièrement représentative de la qualité du dispositif. Ce
modèle utilise un facteur didéalité (n) ainsi quune densité de courant de saturation (J0) pour
décrire son fonctionnement.
V : Tension aux bornes de la jonction (V)
k : Constante de Boltzmann (J.K -1
)
n : Facteur didéalité de la diode
La densité de courant de saturation de la diode (J0) représente le courant de fuite
franchissant la barrière VD. Il est dautant plus fort que les recombinaisons dans le matériau
et/ou en surface sont élevées. Le courant de saturation est dû aux différents phénomènes de
recombinaisons en surface et en volume du dispositif. Dans le cas où les défauts dans la base
de type p dominent, son expression analytique (6) dépend des mécanismes de recombinaisons
prépondérants.
ÉTAT DE L’ART 1. Bases sur le fonctionnement des cellules PV en silicium cristallin
- 16 -
n
nqD J (6)
La longueur de diffusion des porteurs minoritaires Ln dans la base de type p donne une
indication sur la qualité de celle-ci. Moins le matériau montre de défauts, plus la longueur de
diffusion est grande, et plus le J0 est faible. Le courant de saturation J0 dépend également de la
diffusivité Dn (cm 2 .s
-1 ) et de la densité n de porteurs minoritaires dans la base.
La qualité dun matériau peut également être exprimée par la durée de vie des porteurs
minoritaires (τ en s). En effet τ et la longueur de diffusion des porteurs minoritaires dans le
matériau sont liés par léquation (7).
2/1 nn )D(L (7)
Un J0 de la diode élevé entraîne une augmentation plus rapide du courant direct avec la
tension. Une limite inférieure à la valeur de J0 (0.27 fA.cm -2
) peut être calculée en considérant
uniquement les recombinaisons radiatives intrinsèques au matériau. Cependant au niveau
expérimental des valeurs 100 à 1000 fois supérieures sont obtenues [Swanson05].
1.2.3 Production d’énergie par un dispositif photovoltaïque
Léclairement dune diode provoque lapparition dun courant de photogénération
dans le dispositif. Ce flux lumineux rompt léquilibre thermodynamique en changeant les
populations délectrons et de trous. A titre dexemple, un éclairement AM1.5 libère environ
1x10 15
cm -3
porteurs de charge dans le silicium cristallin. En général léclairement impacte
peu la densité de porteurs majoritaires, dans la mesure où celle-ci est supérieure à 1x10 15
cm -3
dans un semi-conducteur dopé. En revanche, la population de porteurs minoritaires augmente
sensiblement avec léclairement, provoquant ainsi lapparition dun courant inverse
proportionnel à léclairement. Une diode sous éclairement voit ainsi sa caractéristique J-V
décalée par lapparition dune densité de courant inverse JPh dû aux porteurs photogénérés.
Léquation de la diode sous éclairement (8) montre la compétition entre JPh (proportionnel à
lintensité du flux lumineux) et la densité de courant direct Jobsc qui dépend de la tension
appliquée et de la qualité du dispositif.
Phobsctéclairemen JJJ (8)
La caractéristique J-V dune diode sous éclairement (Figure 5) permet la
détermination des paramètres suivants :
Vco : Tension de circuit ouvert
ÉTAT DE L’ART 1. Bases sur le fonctionnement des cellules PV en silicium cristallin
- 17 -
Jmax : Densité de courant au point de puissance maximale
Vmax : Tension au point de puissance maximale
La puissance électrique produite par une diode sous éclairement est égale au produit
de lintensité délivrée et de la tension à ses bornes. Il faut ainsi adapter la charge aux bornes
du dispositif afin de le faire fonctionner au point de puissance maximale Pmax (Vmax, Imax).
Figure 5. Caractéristiques J-V et P-V sous éclairement
Le facteur de forme (FF) de la courbe J-V exprime la différence entre la puissance
réelle débitée par la cellule et sa puissance idéale égale au produit JccxVoc. Le FF est limité
dans la plupart des cas par des résistances parasites et son expression est donnée par la
relation (9).
JV FF (9)
On appelle rendement de conversion η le rapport de la puissance fournie par la cellule
sur la puissance incidente (léclairement). Il sexprime selon léquation (10) en fonction des
paramètres extraits de la courbe J-V sous éclairement.
incidente
ccco
incidente
maxmax
incidente
max
P
FFJV
P
JV
P
P (10)
ÉTAT DE L’ART 1. Bases sur le fonctionnement des cellules PV en silicium cristallin
- 18 -
Les trois paramètres principaux caractérisant un dispositif PV sont donc sa Jcc, sa Vco
et son FF. La valeur de Jcc est influencée par la longueur de diffusion des porteurs mais
également par des facteurs optiques tels que labsorption et la réflexion du flux lumineux. Le
facteur de forme est limité dans la plupart des cas par des résistances et courts-circuits
parasites. La Vco est liée au rapport entre les densités de courant de court-circuit et de
saturation de la diode par la relation (11) [MacDonald01].
) J
1.3.1 Absorption du rayonnement
Le rayonnement solaire sétend sur un large spectre de longueurs dondes (0.1 à 5 µm)
et une grande partie de son énergie nest pas exploitée par une cellule c-Si à simple jonction.
Lénergie de gap EG du c-Si (1.12 eV) correspond à une longueur donde de 1.1 µm. Si les
photons incidents ont une énergie inférieure à EG (longueur donde supérieure à 1.1 µm), ils
ne peuvent pas générer de porteurs libres et traversent le matériau sans être absorbés. En
revanche, quand leur énergie est supérieure à EG, lexcès dénergie est thermalisé et perdu
pour la conversion. La Figure 6 montre le spectre effectivement exploité par une cellule c-Si
par rapport au spectre solaire AM1.5. Avec un confinement optique idéal, la Jcc maximale
dune cellule c-Si peut atteindre 42.5 mA.cm -2
sous un éclairement AM1.5 [Swanson05].
Figure 6. Influence des différentes pertes dues aux mécanismes d’absorption dans le c-
Si. (1) Thermalisation des photons d’énergie supérieure à 1.12 eV; (2) Photons
d’énergie inférieure à 1.12 eV non absorbés [Lelièvre07]
1
2
1
2
ÉTAT DE L’ART 1. Bases sur le fonctionnement des cellules PV en silicium cristallin
- 19 -
Lorsquun matériau semi-conducteur est soumis à une excitation (thermique,
lumineuse, …), son équilibre est rompu et des porteurs en excès apparaissent. Ces porteurs en
excès restent libres jusquà ce quils perdent leur énergie, c'est-à-dire quils recombinent. La
durée de vie des porteurs (τ en s) dépend de la densité de porteurs en excès (Δn en cm -3
) et du
.cm -3
Différents phénomènes de recombinaison existent au sein dun semi-conducteur
comme le silicium cristallin. Certains comme les phénomènes Auger et radiatifs sont
intrinsèques au matériau, tandis que dautres dépendent plus de la qualité du matériau (voir
Etat de lart §1.4.2).
Dans un semi-conducteur à gap direct le mécanisme de recombinaison radiative
domine les autres phénomènes. Cest linverse de la création dune paire e/h par un photon :
un électron de la bande de conduction retourne dans la bande de valence en cédant de
lénergie sous forme lumineuse, en émettant un photon. Lénergie du photon émis étant égale
ou proche de celle du gap, il pourra avec une faible probabilité être « recyclé » et créer une
nouvelle paire e/h. Pour un semi-conducteur à gap direct, les recombinaisons radiatives sont
importantes car elles se font sans la participation de phonons. En revanche pour un gap
indirect comme le c-Si, les recombinaisons radiatives sont peu probables. Dans ce cas
lélectron doit émettre simultanément un photon et un phonon pour changer détat. Selon la
relation (13), le taux de recombinaisons radiatif (Urad) dépend dune constante B
caractéristique du matériau et sa valeur est faible pour le c-Si (1x10 -14
cm 3 .s
)nNn(BU Arad (13)
Le processus de recombinaison Auger (UAuger) est non radiatif et implique
linteraction de trois particules. Lénergie libérée par la recombinaison dun électron de la
bande de conduction et un trou de la bande de valence est ici transférée à un autre porteur
libre (électron ou trou). Ce porteur thermalise ensuite cette énergie en revenant à un état
énergétique inférieur proche de la limite de bande. Ce mécanisme de recombinaison (plus
compliqué en réalité) est dominant à fort taux dinjection et pour de fortes densités de dopants
[Dubois07]. Il peut être décrit par la relation (14) pour des faibles injections et dépend dun
coefficient Auger (CA en cm -6
.s -1
[MacDonald01].
ÉTAT DE L’ART 1. Bases sur le fonctionnement des cellules PV en silicium cristallin
- 20 -
2 AAAuger NnCU (14)
La tension de circuit ouvert maximale dun dispositif PV est en réalité limitée par les
mécanismes de recombinaison évoqués ci-dessus. Si lon considère que les surfaces de la
cellule ne provoquent aucun phénomène de recombinaison (cas idéal), la principale limitation
de la Vco provient du volume. La valeur maximale que lon pourrait atteindre dépend donc de
lépaisseur de la cellule, elle est de lordre de 770 mV pour une cellule dune épaisseur de 100
µm [Tiedje84] et pourrait atteindre 800 mV en réduisant lépaisseur du substrat à 20 µm
[Green84].
1.3.3 Facteur de forme
Dans le cas idéal, la courbe J-V est rectangulaire. La puissance maximale produite par
la cellule sous éclairement est alors égale au produit Icc x Vco. En réalité, les caractéristiques
courant-tension suivent une forme exponentielle (équation de Boltzmann), ce qui limite la
puissance maximale au produit Im x Vm. Sous un soleil, le facteur de forme maximal théorique
dune cellule solaire en silicium cristallin à haut rendement est de 89% [Szlufcik97].
1.3.4 Rendement maximal théorique d’une cellule c-Si
Le rendement de conversion maximal théorique des cellules photovoltaïques peut être
déterminé par une approche thermodynamique tenant compte des différentes limitations
intrinsèques au dispositif. Schockley et Queisser ont ainsi calculé en 1961 le rendement
maximal théorique pour une cellule à simple jonction (EG = 1.1 eV), en considérant
uniquement les recombinaisons radiatives. Sous un éclairement AM1.5, ce rendement atteint
la valeur de 33% [Schockley61]. Tiedje et al ont ensuite amélioré le modèle en introduisant
une connexion entre lanalyse thermodynamique et la modélisation du dispositif lui-même
(cellule en silicium cristallin). En tenant compte de leffet de lépaisseur du substrat et des
recombinaisons non radiatives (Auger), le rendement maximal est alors de 29.8% [Tiedge84].
En 2002, Kerr et al ont apporté des modifications à ce calcul en améliorant la modélisation
des phénomènes de recombinaisons Auger et en introduisant le « recyclage des photons »
pour les recombinaisons radiatives. À laide de ces améliorations, un rendement maximal
théorique de 29.05% a été calculé pour une épaisseur de substrat optimale de 90 µm
[Kerr02b].
1.4 Limites technologiques à la conversion photovoltaïque
On a vu dans la partie précédente que le rendement maximal théorique pour une
cellule en silicium cristallin peut atteindre des valeurs supérieures à 29%. La différence entre
ce rendement et ceux obtenus expérimentalement est due à des pertes technologiques, c'est-à-
ÉTAT DE L’ART 1. Bases sur le fonctionnement des cellules PV en silicium cristallin
- 21 -
dire qui sont potentiellement évitables par lutilisation de technologies adaptées. Une cellule
photovoltaïque doit être conçue de manière à limiter ces pertes technologiques à laide de
procédés peu coûteux. Les pertes les plus importantes proviennent de facteurs optiques et
résistifs, mais aussi des recombinaisons volumiques et surfaciques.
1.4.1 Pertes optiques et résistives
Les pertes optiques dune cellule solaire provoquent une chute de la densité de courant
produite par le dispositif. En effet, le courant fourni dépend directement de la quantité de
lumière absorbée dans la cellule. La première source de perte optique est due aux phénomènes
de réflexion du rayonnement incident sur la face avant. En effet, pour un substrat c-Si poli,
plus de 30 % de la lumière est réfléchie en face avant, provoquant une chute du même ordre
du courant photogénéré [Lelièvre07]. Dans le cas de substrats minces (inférieurs à 200 µm),
une partie du rayonnement infrarouge peut traverser la base sans être absorbée. La réflectivité
interne au niveau de la face arrière joue dans ce cas également un rôle particulièrement
important [Kray08]. Une réflectivité effective de 2% en face avant alliée à une réflectivité
interne de 90% en face arrière permet théoriquement dobtenir une densité de courant de
court-circuit de 41.1 mA/cm -2
[Swanson05]. Un autre facteur de pertes optiques est provoqué
par le contact sur lémetteur, réalisé en face avant sur la plupart des structures de cellules
photovoltaïques. Ces métallisations de contact sont opaques et provoquent un ombrage du
rayonnement incident, proportionnel à la surface de lélectrode.
En ce qui concerne les pertes résistives, les possibilités daméliorations dépendent
fortement de la structure de cellule utilisée. Des phénomènes de résistance série peuvent
provenir de conductivités insuffisantes dans le c-Si [Granek07], dans les métallisations, ainsi
quau contact métal / c-Si [Schröder84]. Un second type de pertes résistives provient de
courts-circuits (ou shunts) entre les électrodes positives et négatives de la cellule. Ces
différentes pertes résistives influencent fortement la valeur du facteur de forme des cellules
PV.
1.4.2 Recombinaisons volumiques Shockley-Read-Hall (SRH)
Ce mécanisme de recombinaisons nest pas intrinsèque au silicium cristallin, au
contraire des phénomènes Auger et radiatifs. Les recombinaisons SRH sont dues aux
impuretés et défauts présents dans le c-Si qui provoquent lapparition de niveaux dénergie
discrets dans la bande interdite [Schockley54]. Lémission thermique de porteurs à partir de
ces niveaux est improbable lorsquils sont suffisamment éloignés du bord des bandes de
valence et de conduction. On parle alors de niveaux « profonds » qui augmentent la
probabilité que les porteurs libres recombinent. Par exemple, un électron libre peut être piégé
dans un niveau profond où il se recombinera ensuite plus facilement avec un trou de la bande
de valence. Ces niveaux sont dabord caractérisés par leur densité NT ainsi que leur position
en énergie ET dans la bande interdite. Leurs sections efficaces de capture σn et σp permettent
ÉTAT DE L’ART 1. Bases sur le fonctionnement des cellules PV en silicium cristallin
- 22 -
de représenter leur aptitude à capturer respectivement des électrons et des trous. Dans le cas
du silicium de type p, et pour une densité NT du niveau dénergie très inférieure au dopage
NA, la durée de vie τSRH est définie par léquation (15) [MacDonald01].
nN
)npN()nn(
A
1A0n10p
SRH (15)
Les paramètres τp0 et τn0 dépendent des sections efficaces de capture respectivement
des trous et des électrons selon léquation (16), tandis que n1 et n2 sont liés au niveau
dénergie ET du piège par la relation (17).
thTp
v1 (17)
On définit n1 (et p1) comme la densité délectrons (de trous) dans la bande de
conduction Ec (de valence Ev) lorsque le niveau de Fermi EF coïncide avec le niveau piège ET.
vth représente la vitesse thermique des porteurs, Nc et Nv les densités effectives détats dans la
bande de conduction et la bande de valence. Plus les niveaux dénergie apparus sont proches
des bandes, moins ils vont agir dans le sens de la recombinaison des porteurs. En effet, il sera
plus probable que le porteur capturé par ce niveau dénergie soit réémis thermiquement plutôt
quil ne recombine. Cest pourquoi les niveaux situés vers la moitié du gap provoquent les
plus forts taux de recombinaison. Les défauts et impuretés présents dans le c-Si modifient
donc fortement ses propriétés électriques en favorisant les recombinaisons de porteurs. Il est
en général nécessaire de limiter le nombre de défauts ainsi que la densité dimpuretés afin de
garder des valeurs élevées de durée de vie des porteurs.
Il faut noter que la valeur de la Jcc nest plus limitée par la durée de vie volumique des
porteurs lorsque la longueur de diffusion devient très supérieure à lépaisseur de la cellule.
Elle est alors uniquement limitée par les recombinaisons de surface et les facteurs optiques
évoqués précédemment. En revanche, la valeur de Vco est dans la plupart des cas strictement
limitée par les phénomènes de recombinaison et ce, quel que soit leur niveau.
1.4.3 Recombinaisons surfaciques et au contact
La surface dun substrat de c-Si représente une rupture brutale dans la continuité du
réseau cristallographique. Ceci entraîne la présence de liaisons non saturée ou liaisons
pendantes (« dangling bonds »). Les atomes de silicium auxquels il manque une liaison
covalente ne sont donc pas dans une configuration électronique stable. Ces défauts
ÉTAT DE L’ART 1. Bases sur le fonctionnement des cellules PV en silicium cristallin
- 23 -
structuraux introduisent des niveaux énergétiques dans le gap du silicium qui vont assister les
phénomènes de recombinaison. Les liaisons pendantes peuvent être saturées par le dépôt
dune couche de matériau à la surface. On parle alors de passivation des défauts de surface.
Loxyde natif, de mauvaise qualité, napporte aucune passivation, il est donc nécessaire
dapporter un traitement adapté à la surface afin de réduire son influence sur les
recombinaisons. La notion de densité détats dinterface Dit(E) exprimée en cm -2
.eV -1
est
utilisée pour caractériser les niveaux dénergie introduits par les défauts de surface. Le taux de
recombinaison surfacique sexprime par léquation (18) en fonction des concentrations
délectrons (ns) et de trous (ps) en surface, de la densité détats dinterface, ainsi que des
paramètres définis précédemment pour les recombinaisons SRH [Eades85].
dE)E(D
)E(
pp
)E(
nn
E
E
n
1s
p
1s
2
issth
S
C
V
(18)
Afin de représenter les phénomènes de recombinaison surfacique, on utilise la notion
de vitesse de recombinaison de surface. Ce paramètre, noté S, sexprime en cm.s -1
. Il dépend
du taux de recombinaison et de la densité de porteurs en excès à la surface selon la relation
(19).
s
S
n
U S (19)
Les techniques de passivation sappuient sur deux leviers différents. Le premier repose
sur la réduction de la Dit. Le second consiste à diminuer, par effet de champ, la densité de
porteurs susceptible de recombiner à la surface. La croissance dun oxyde thermique à haute
température (1000°C) permet de réduire la densité détats de surface à des valeurs très basses
(1x10 9 cm
14 at.cm
Lacoste07]. Certains matériaux hydrogénés réalisés par CVD (a-SiNx:H, a-Si:H, a-SiC:H)
contiennent une certaine quantité dhydrogène qui peut passiver les liaisons pendantes.
Cependant, les valeurs de Dit obtenues avec ces matériaux sont en général supérieures dau
moins une décade à celles du SiO2 thermique. Pour atteindre dexcellentes propriétés
passivantes, les matériaux déposés à basse température utilisent donc également le mécanisme
deffet de champ. Un type de porteurs est alors éloigné de linterface, ce qui réduit le taux de
recombinaisons. Cet effet de champ peut être provoqué par les discontinuités de bande
(énergie de gap différente entre les matériaux), par la présence de charges à proximité de la
surface (charges positives fixes pour le nitrure de silicium) ou encore par un léger dopage
thermique (jonction p/n ou high/low) [Aberle01]. La Figure 7 montre les processus de
recombinaisons dans le cas particulier de linterface a-Si:H (n) / c-Si (p). Dans ce cas, les
porteurs peuvent recombiner à linterface mais également dans le matériau a-Si:H (n). Dans la
plupart des cas, la passivation de surface est effectuée par un matériau non conducteur. Les
recombinaisons se produisent alors principalement à linterface entre les deux matériaux.
ÉTAT DE L’ART 1. Bases sur le fonctionnement des cellules PV en silicium cristallin
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Figure 7. Schéma de bandes à l’interface a-Si:H (n) / c-Si (p). Les niveaux d’énergie dus
aux défauts sont indiqués par des traits, et les processus de recombinaisons par des
flèches. EC, EV, EF et eΦ représentent respectivement l’énergie de la bande de
conduction, de celle de valence, l’énergie du niveau de Fermi et la courbure de bande
dans le c-Si. [Korte07]
Il est difficile dobtenir directement une mesure de vitesse de recombinaison de
surface. Le paramètre le plus accessible reste la durée de vie effective (τeff) du substrat c-Si,
qui prend en compte à la fois les recombinaisons volumiques et surfaciques. La formule (20)
permet dexprimer τeff en fonction des différentes contributions des recombinaisons radiatives
(τrad), Auger (τAuger), SRH (τSRH) et surfaciques (S). Dans ce cas, la même vitesse de
recombinaison de surface est considérée sur chaque face du substrat dépaisseur W (cm).
W
S21111
SRHAugerradeff
(20)
Pour un matériau multicristallin, les recombinaisons en volume peuvent dominer et
ainsi limiter la durée de vie effective des porteurs minoritaires. En revanche, dans le cas dun
substrat silicium FZ ou CZ (monocristallin), il est plus probable que le rôle de la surface soit
prépondérant, et ce dautant plus que lépaisseur du substrat est faible. Avec un substrat de
très haute durée de vie, un rendement de cellule supérieur à 27% peut théoriquement être
obtenu si les recombinaisons de surface sont suffisamment faibles [Swanson05].
ÉTAT DE L’ART 2. La cellule PV standard en silicium cristallin
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2.1 Architecture de la cellule photovoltaïque standard
Les premières cellules solaires c-Si réalisées dans les années 1950 utilisaient des
substrats de type n (dopés Phosphore). À cette époque, leur première application nétait pas
terrestre, mais spatiale, pour lalimentation de satellites. Les substrats de type p se révélant
plus résistants aux radiations, les cellules PV ont ensuite été développées sur du c-Si dopé
Bore [Green09]. Ces premières cellules étaient seulement constituées dune jonction diffusée
(émetteur) et dun contact ohmique. Par rapport à ces simples photodiodes, larchitecture des
cellules PV a ensuite rapidement évolué, et abouti à une architecture dite « standard »
schématisée sur la Figure 8.
c-Si type p
Contact Ag Texturation
Figure 8. Structure standard. Gauche: Photographie de la face avant (wafer pseudo-
carré 150 cm 2 ); Droite: Schéma vue de coupe
A la différence des dispositifs réalisés pour la microélectronique, la totalité du substrat
de silicium cristallin est utilisé. Ces substrats (wafers) sont découpés à la scie à fil dans des
lingots cristallisés selon différents procédés (CZ, FZ, Block-cast). Une épaisseur de 80 μm
suffit théoriquement pour que la quasi-totalité des photons soit absorbée. Cependant les
techniques actuelles de découpe de wafers ne permettent pas datteindre des épaisseurs
inférieures à 100 µm. De plus, la réduction des épaisseurs fragilise les plaques et augmente le
taux de casse tout au long du procédé de fabrication (cellules et modules). Les substrats
multicristallins les plus utilisés au niveau industriel ont une forme carrée
dapproximativement 15 cm de côté, alors que pour le monocristallin cest la forme pseudo-
carrée de 12.5 cm de côté qui est la plus répandue. Trois grandes avancées technologiques,
montrées sur la Figure 8, ont permis laugmentation du rendement des cellules PV. Il sagit de
la texturation de surface, de lusage dune couche anti-reflet ainsi que celle dun champ de
surface arrière (Back Surface Field BSF).
ÉTAT DE L’ART 2. La cellule PV standard en silicium cristallin
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2.1.1 Texturation et Couche Anti-Reflet
Lutilisation dune structuration de la surface avant (texturation), alliée à une couche
anti-reflet (CAR), permet de réduire drastiquement la réflexion du rayonnement incident. Le
procédé de texturation consiste à créer un relief micrométrique à la surface du wafer de
silicium [Haynos74]. La forme généralement pyramidale du relief multiplie les réflexions et
donc les chances pour la lumière de pénétrer dans le matériau. En effet, le rayonnement
incident est constitué de longueurs donde inférieures aux dimensions des structures réalisées
(quelques m). Dans le cas dune double réflexion (Figure 9), le coefficient de réflexion total
devient R 2 , ce qui entraîne une baisse de la réflexion totale de cette surface. Les techniques
industrielles de texturation se font le plus souvent par voie chimique alcaline (KOH, NaOH,
TMAH). Cependant, les voies acide et sèche font lobjet dun intérêt croissant en particulier
pour les matériaux multi-cristallins.
Figure 9. Schéma de principe des réflexions lumineuses sur une surface texturée. R est le
coefficient de réflexion, T le coefficient de transmission et T+R=1 (l’absorption est
négligée).
Une couche anti-reflet déposée sur la face avant des cellules aide à améliorer le
confinement optique. La CAR permet dadapter lindice optique entre le milieu extérieur et le
silicium, et ainsi minimiser les réflexions. Pour cela, il est nécessaire que cette couche
possède un indice de réfraction (nCAR) ainsi quune épaisseur (eCAR) adaptés au milieu
extérieur dindice next. Les relations (21) et (22) permettent de déterminer les valeurs de eCAR
et nCAR en fonction du milieu extérieur et du silicium (nSi). Le minimum de réflexion peut être
atteint pour des valeurs périodiques de eCAR dépendant de lentier m. Il est en général
préférable de prendre m = 1 afin de limiter lépaisseur de la CAR.
SiextCAR nnn (21)
)1m2( e (22)
ÉTAT DE L’ART 2. La cellule PV standard en silicium cristallin
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Pour un milieu extérieur constitué dair, la valeur de nCAR doit être proche de 2, et
celle de eCAR de lordre de 75 nm. Si lon considère les cellules encapsulées dans un module,
ces valeurs varient légèrement avec nCAR ≈ 2.3 et eCAR ≈ 65 nm [Lelièvre07]. La CAR la plus
répandue pour les cellules PV standard est constituée de nitrure de silicium hydrogéné (a-
SiNx:H). En effet, ce matériau peut combiner à la fois des propriétés optiques excellentes et
un niveau élevé de passivation de surface. Cette couche de a-SiNx:H est en général déposée
par PECVD, à des températures proches de 450°C [Aberle01]. Il a également été montré que
lhydrogène présent dans cette couche peut diffuser lors de recuits et ainsi passiver des
défauts volumiques en plus des défauts de surface [Duerinckx02].
2.1.2 Champ de Surface Arrière
En face arrière des cellules c-Si standard, il est nécessaire de contacter la base à laide
dun contact métallique. Au contact, la vitesse de recombinaison de surface atteint des valeurs
très élevées qui diminuent le rendement des dispositifs. Pour réduire le taux de recombinaison
sur cette face arrière, il est possible de diminuer les défauts dinterface ou déloigner un des
types de porteurs. Lefficacité dun champ répulsif en face arrière a été dabord démontrée par
la réalisation dun gradient de dopage [Mandelkorn72]. La jonction high / low ainsi formée
éloigne les porteurs minoritaires de la face arrière, et diminue les recombinaisons au contact.
Dans le cas des cellules standard sur c-Si de type p, la technique la plus répandue au
niveau industrielle utilise une couche dAluminium déposée sur la face arrière. Lors dun
traitement thermique adapté (≈ 600°C), un eutectique AlSi est formé, qui en refroidissant
donne naissance à une zone c-Si dopée Al. La profondeur de ce BSF Al peut atteindre
plusieurs microns avec des dopages de lordre de 1x10 18
à 1x10 19
[Narasimha99].
Pendant la réalisation du BSF Aluminium, des phénomènes de passivation des défauts
volumiques (gettering) peuvent également apparaître [Dubois07]. Cette étape technologique
agit donc doublement sur la longueur de diffusion des porteurs, en diminuant à la fois les
recombinaisons volumiques et surfaciques.
Les meilleurs rendements atteints par les cellules standard fabriquées industriellement
sont de lordre de 15 à 16% aussi bien sur c-Si monocristallin que multicristallin. Les modules
fabriqués à laide de ces cellules montrent donc des performances légèrement inférieures à ces
valeurs, de lordre de 14% en moyenne. Le Tableau 2 résume les différentes étapes de
fabrication des cellules standard.
ÉTAT DE L’ART 2. La cellule PV standard en silicium cristallin
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Tableau 2. Exemple de procédé de fabrication des cellules standard
Étape Procédé de fabrication Dimension standard (μm)
Substrat Sciage dun lingot 150-300 (épaisseur)
Texturation Voie chimique (KOH) 5-15 (taille des pyramides)
Émetteur Diffusion gazeuse (POCl3) 0.5 (profondeur de jonction)
Couche anti-reflet a-SiNx:H par PECVD 0.08 (épaisseur)
Contact pleine plaque face
Grille de contact face
Prise de contact FAV
Ouverture de jonction LASER -
2.2 La cellule standard optimisée: structure PERL
Larchitecture standard des cellules photovoltaïques est issue dun compromis entre
lobtention dun rendement élevé et le maintien dun procédé de fabrication peu coûteux. Les
recherches menées depuis le début des années 80, en particulier par léquipe de lUNSW
(University of New South Wales), avaient pour but daméliorer « à tout prix » le rendement
des cellules PV en c-Si. Cette amélioration repose principalement sur une optimisation
continue de la structure des cellules, permettant un meilleur confinement optique ainsi quune
diminution des recombinaisons volumiques et surfaciques, le tout sans provoquer de pertes
résistives. Différentes structures sont successivement apparues : PESC (Passivated Emitter
Solar Cell [Blakers86]), PERT (Passivated Emitter Rear Totally diffused) et enfin PERL
(Passivated Emitter Rear Locally diffused [Zhao99]). Cette dernière détient le record de
rendement sous AM1.5, pour une cellule en silicium cristallin, avec une valeur de 25 %
[Green09]. Ces structures de 4 cm 2 , schématisées sur la Figure 10, sont fabriquées à laide de
procédés issus de la microélectronique (photolithographie, oxyde thermique) sur un substrat
c-Si FZ de type p (1 Ω.cm et 450 µm dépaisseur). Plusieurs technologies avancées sont
nécessaires pour réduire les pertes de ce type de cellule:
Texturation en «pyramides inversées»
Émetteur « sélectif »
BSF localisé
ÉTAT DE L’ART 2. La cellule PV standard en silicium cristallin
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Parmi ces technologies daugmentation du rendement, les plus reprises dans les
laboratoires et les industries sont lémetteur sélectif et le BSF localisé. En effet, la structure
standard utilise des dopages uniformes sur toute la surface de la cellule afin de réaliser
lémetteur et le BSF. Pour supporter la prise dun contact par les électrodes métalliques, ces
zones sont très dopées, et donc très recombinantes. La technologie des émetteurs sélectifs
repose sur la réalisation dun dopage élevé uniquement sous les contacts et dun dopage plus
faible ailleurs. Ceci permet de diminuer les recombinaisons dans lémetteur, mais également à
sa surface. Il est en effet plus facile de passiver une zone faiblement dopée quune zone
fortement dopée. Pour le BSF localisé, la démarche est la même sauf quil nest pas
nécessaire de réaliser un dopage léger hors des contacts. Un oxyde thermique permet en effet
de passiver la surface arrière encore plus efficacement quun léger dopage Bore.
La réalisation de grilles de contact à surface réduite fait également lobjet de
nombreuses recherches. Laspect des lignes peut être caractérisé par un rapport daspect
(« aspect ratio ») égal au rapport de lépaisseur et de la largeur des lignes. Il est intéressant de
limiter la valeur de ce paramètre afin de diminuer lombrage occasionné par la grille de
contact. Avec la technique de sérigraphie il est difficile datteindre à la fois des lignes étroites
et épaisses. Parmi les technologies les plus intéressantes pour remplacer la sérigraphie et
former des lignes fines, on peut citer les contacts enterrés ou « buried contacts » [Wenham93]
ainsi que le dépôt induit par illumination « Light induced Plating » (LIP) [Mette06]. En
revanche, ces métallisations fines doivent être plus épaisses afin de limiter les pertes
résistives.
Figure 10. Schéma de la structure PERL [Zhao99]
En raison de trop nombreuses étapes de procédé, la structure PERL ne peut pas être
fabriquée industriellement en létat. De nombreuses techniques ont été étudiées afin de
simplifier son procédé de fabrication. Parmi celles-ci, lutilisation du LASER semble
particulièrement adaptée, aussi bien pour former des contacts localisés que pour structurer des
couches diélectriques à des vitesses élevées. La firme Suntech, qui collabore activement avec
lUNSW, a ainsi récemment annoncé avoir fabriqué des cellules inspirées de la structure
PERL sur ses lignes de production. Un rendement proche de 19% a été atteint, ce qui semble
valider cette approche pour la fabrication de cellules standard à haut rendement [Shi09].
ÉTAT DE L’ART 2. La cellule PV standard en silicium cristallin
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2.3 Cellule standard à émetteur inversé
Les cellules standard à émetteur inversé sont fabriquées à laide des mêmes procédés
que les cellules standard mais sur un substrat de type n. Ainsi, comme indiqué sur la Figure
11, lémetteur est réalisé sur la face arrière et le BSF devient FSF (Front Surface Field). Les
rendements obtenus sur cette structure sont plus &